Mikroskop skenovacej sondy

Podľa tohto termínu Mikroskop skenovacej sondy Existuje množstvo mikroskopov a pridružené metódy merania, ktoré sa používajú na analýzu povrchov. Tieto techniky sú preto súčasťou fyziky povrchov a rozhraní. Mikroskopy skenovacej sondy sa vyznačujú tým, že meracia sonda je vedená cez povrch v malej vzdialenosti.

Čo je skenovací mikroskop?

Všetky typy mikroskopov, v ktorých je obraz vytvorený v dôsledku interakcie medzi sondou a vzorkou, sa označujú ako skenovacie sondy. Týmto sa tieto metódy odlišujú od svetelnej mikroskopie aj skenovacej elektrónovej mikroskopie. Nepoužívajú sa tu ani optické ani elektricko-optické šošovky.

Pomocou mikroskopu skenovacej sondy sa povrch vzorky skenuje bit po kúsku pomocou sondy. Týmto spôsobom sa získajú namerané hodnoty pre každý jednotlivý bod, ktoré sa potom skombinujú na vytvorenie digitálneho obrazu.

Metóda skenovacej sondy bola prvýkrát vyvinutá a predstavená v roku 1981 Rohrerom a Binnigom. Je založená na tunelovom efekte, ktorý vzniká medzi kovovým hrotom a vodivým povrchom. Tento efekt tvorí základ pre všetky metódy mikroskopie skenovacej sondy vyvinuté neskôr.

Tvary, typy a typy

Existujú rôzne typy mikroskopov snímacích sond, ktoré sa líšia predovšetkým v súvislosti s interakciou medzi sondou a vzorkou. Východiskovým bodom bola skenovacia tunelová mikroskopia, ktorá v roku 1982 prvýkrát umožnila atómovo rozlíšené zobrazenie elektricky vodivých povrchov. V nasledujúcich rokoch sa vyvinuli početné ďalšie skenovacie sondy.

Pomocou skenovacieho tunelového mikroskopu sa medzi povrch vzorky a špičku privedie napätie. Prúd tunela sa meria medzi vzorkou a špičkou, ktoré sa tiež nesmú dotýkať. V roku 1984 sa objavila optická mikroskopia blízkeho poľa. Tu svetlo prechádza vzorkou zo sondy. V mikroskopu atómovej sily sa sonda vychýli pomocou atómových síl. Zvyčajne sa používajú takzvané van der Waalsove sily. Priehyb sondy má úmerný vzťah k sile, ktorá je určená podľa pružinovej konštanty sondy.

Mikroskopia atómovej sily bola vyvinutá v roku 1986. Mikroskopy atómovej sily spočiatku pracovali na základe špičky tunela, ktorá funguje ako detektor. Táto špička tunela určuje skutočnú vzdialenosť medzi povrchom vzorky a senzorom. Táto technológia využíva napätie tunela, ktoré existuje medzi zadnou stranou senzora a detekčnou špičkou.

V súčasnosti bola táto metóda do značnej miery nahradená detekčným princípom, s detekciou pomocou laserového lúča, ktorý funguje ako ukazovateľ svetla. Toto je tiež známe ako laserový silový mikroskop. Ďalej bol vyvinutý mikroskop s magnetickou silou, v ktorom magnetické sily medzi sondou a vzorkou slúžia ako základ pre stanovenie nameraných hodnôt.

V roku 1986 bol tiež vyvinutý skenovací termálny mikroskop, v ktorom malý senzor funguje ako skenovacia sonda. Existuje tiež tzv. Optický skenovací mikroskop v blízkom poli, v ktorom interakcia medzi sondou a vzorkou pozostáva z evanescentných vĺn.

Štruktúra a funkčnosť

V zásade majú všetky typy mikroskopov skenovacej sondy spoločné to, že skenujú povrch vzorky v mriežke. Používa sa interakcia medzi sondou mikroskopu a povrchom vzorky. Táto interakcia sa líši v závislosti od typu skenovacieho mikroskopu. Sonda je obrovská v porovnaní so skúmanou vzorkou a napriek tomu je schopná určiť drobné povrchové vlastnosti vzorky. V tomto bode je zvlášť dôležitý najvyšší atóm na špičke sondy.

S pomocou mikroskopie skenovacej sondy je možné rozlíšiť až 10 picometrov. Na porovnanie: veľkosť atómov je v rozsahu 100 picometrov. Presnosť svetelných mikroskopov je obmedzená vlnovou dĺžkou svetla. Z tohto dôvodu sú pri tomto type mikroskopu možné iba rozlíšenia okolo 200 až 300 nanometrov. To zodpovedá zhruba polovici vlnovej dĺžky svetla. Preto sa v skenovacom elektrónovom mikroskope namiesto svetla používajú elektrónové lúče. Zvýšením energie môže byť vlnová dĺžka teoreticky tak krátka, ako je požadované. Avšak príliš malá vlnová dĺžka by zničila vzorku.

Výhody pre zdravie a zdravie

Pomocou mikroskopu skenovacej sondy nie je možné iba skenovať povrch vzorky. Namiesto toho sa jednotlivé atómy môžu zo vzorky odstrániť a znova uložiť na určené miesto.

Od začiatku osemdesiatych rokov sa vývoj skenovacej sondy rýchlo rozvíjal. Nové možnosti zlepšenia rozlíšenia oveľa menej ako mikrometrov boli nevyhnutným predpokladom pokroku v oblasti nanovied a nanotechnológií, k tomuto vývoju došlo najmä od 90. rokov 20. storočia.

Na základe základných metód mikroskopie skenovacej sondy sa v súčasnosti delia početné ďalšie metódy. Tieto využívajú výhody rôznych typov interakcie medzi špičkou sondy a povrchom vzorky.

Mikroskopy snímacích sond zohrávajú zásadnú úlohu vo výskumných oblastiach, ako je nanochémia, nanobiológia, nanobiochémia a nanomedicína. Mikroskopy skenovacej sondy sa dokonca používajú na skúmanie iných planét, ako je Mars.

Mikroskopy snímacej sondy používajú špeciálnu techniku ​​určovania polohy založenú na takzvanom piezo efekte. Prístroj na pohyb sondy je riadený počítačom a umožňuje vysoko presné polohovanie. To umožňuje kontrolované skenovanie povrchov vzoriek a výsledky meraní sa kombinujú do displeja s extrémne vysokým rozlíšením.